1,1 мм в живой мозг — MIT побил все рекорды проникновения без скальпеля

Десятилетиями нейробиологи упирались в один и тот же потолок: оптика подробно рисует кору, но теряет чёткость, как только лучи уходят к гиппокампу и соседним областям. Ещё сложнее становится, когда задача — увидеть молекулярные процессы в пределах одной клетки, не искажая сигнал красителями или генетическими метками. Инженеры и учёные MIT собрали установку, которая фактически снимает этот запрет . Она совмещает сверхкороткие световые импульсы и акустическое считывание и благодаря этому заглядывает в толщу ткани на глубину, недоступную привычным методам, причём без каких-либо модификаций.

Сердце подхода — трёхфотонное возбуждение. Лазер выдаёт ультракороткие всплески на длинах волн втрое больше, чем обычная полоса поглощения целевой молекулы. Такой выбор даёт сразу два бонуса. Во-первых, длинные волны меньше рассеиваются в неоднородной среде, что повышает проникающую способность. Во-вторых, пик мощности у фемтосекундного импульса огромен, поэтому вероятность одновременного поглощения трёх фотонов заметно растёт именно в малом фокусе. В результате возбуждение локализуется в точке наведения, а окружающие структуры остаются «тихими».

Дальше вступает в работу физика термоупругости. Энергия, усвоенная молекулами, в первую очередь превращается в крошечный, но очень быстрый нагрев микрообъёма. Материал расширяется на микроскопическую долю, создавая скачок давления. Этот удар рождает звуковую волну, которая уходит от источника, как круги по воде, только уже в ультразвуковом диапазоне. Чувствительный приёмник на поверхности образца ловит сигнал, а вычислительный модуль собирает из временных задержек и амплитуд картинку с высокой контрастностью. Такая схема носит название трёхфотонной фотоакустической визуализации и даёт возможность опираться не на излучение во флёресцентном канале, а на механику среды — это куда лучше переносит рассеяние.

Команда назвала платформу «Multiphoton-In, Acoustic-Out», подчеркивая, что «вход» — многоквантовая оптика, а «выход» — звук. В одном проходе система способна различать метаболические маркеры без красителей, в частности NAD(P)H — кофермент, связанный с дыхательными цепями и активностью нейронов. Тот же тракт фиксирует и другие мишени, если они присутствуют, например GCaMP — кальциевый индикатор, которым обычно отмечают динамику импульсной работы. Параллельно включается третий нелинейный канал: генерация третьей гармоники подсвечивает границы, мембраны, интерфейсы сред — получается сцена, где структурная «география» и биохимические «огни» совмещены пиксель к пикселю.

Полевые тесты показали, что установка уверенно проходит через плотные образцы. Учёные просветили органоид человеческого мозга на основе стволовых клеток толщиной 1,1 миллиметра и срез мышиного полушария шириной 0,7 миллиметра. В обоих случаях картинка оставалась чистой, а чувствительность — достаточной, чтобы уловить NAD(P)H в толще. Эксперимент ограничивался не столько инструментом, сколько геометрией: исследователи упёрлись в стекло на обратной стороне — образцы просто закончились. По глубине установка превзошла распространённые оптические техники более чем в пять раз.

Клинический контур тут вырисовывается сам собой. Поскольку сигнал строится на внутренних процессах клетки, а не на введённых реагентах, карта активности может обновляться в реальном времени и вести хирурга по функциональным рубежам без долгих подготовительных процедур. Для фундаментальных задач важен и метаболический ракурс: уровни NAD(P)H меняются при болезни Альцгеймера, синдроме Ретта, эпилептических приступах, а значит, можно проследить, как патология перестраивает энергетику нейронных ансамблей на разных слоях и расстояниях от поверхности.

Переход к исследованиям «на живом» потребует иной геометрии. Сейчас источники света и микрофон ставили по разные стороны. В животной модели оба узла придётся перенести на одну поверхность, чтобы свернуть доступ до минимума и не нарушить физиологию. Авторы считают, что с такой конфигурацией реально дойти до двух миллиметров в мозге, сохранив контраст и скорость. Принцип работы для этого уже подходит: длинноволновая оптика устойчиво идёт вглубь, а акустика уверенно выбирается наружу по тем же путям.

Интересно, что один из участников уже обкатывал метаболическое картирование в другой сфере. В проектах по лечению ран визуализация NAD(P)H помогала выбирать тактику вмешательства по состоянию тканей. Теперь та же идея переезжает в нейрохирургию и лабораторную нейрофизиологию, где ставка делается на точное совмещение биохимии и морфологии без меток и красителей.

Работы поддержали National Institutes of Health, Simon Center for the Social Brain, The Picower Institute и другие фонды, что должно ускорить доводку до прикладных сценариев.